CN111503709A - 一种生物质燃料锅炉辅助的太阳能热水供热系统及调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物质燃料锅炉辅助的太阳能热水供热系统及调控方法，系统包括蓄热式节能水炕、热源、房间供暖及生活热水设备、连通的循环水管路及循环水泵；所述热源为太阳能热水器和生物质燃料锅炉，通过控制开关优先由太阳能热水器给蓄热式节能水炕供热水，在太阳能不足时由所述生物质燃料锅炉辅助提供热水；所述生物质燃料锅炉的排烟口与节能减排烟道墙的进烟口贯通连接。本发明创造性的设计出蓄热式节能水炕，还巧妙地设计出节能减排烟道墙与生物质燃料锅炉的排烟口贯通连接，同时简便地以低成本方式实现热水系统的持续供热。具有换热效率高，污染物排放低，室内空气品质与供暖质量高等优点。

Description

一种生物质燃料锅炉辅助的太阳能热水供热系统及调控方法

技术领域

本发明涉及太阳能供暖系统技术领域，具体涉及一种生物质燃料锅炉辅助的太阳能热水供热系统及调控方法。

背景技术

当今，我国北方地区农村冬季供暖以煤炭为主要能源，每户每年用于供暖燃烧的煤炭量约为1-2吨，消耗量巨大，燃烧后排放的烟气造成环境污染。同时，北方地区供暖方式以灶炕供暖与锅炉燃烧供暖为主。灶炕内阴燃煤炭容易造成炕面受热不均匀，同时，阴燃过程中产生的有害烟气通过灶炕表面缝隙渗透到房间，室内空气品质下降。此外，锅炉与灶炕内燃料的添加麻烦，会对污染室内环境。然而，若采用空气热源热泵则在冬季效率较低，采用电能直接采暖等会消耗大量电能，进而消耗更多的化石能源。

基于我国北方地区太阳能资源丰富的特点，充分利用太阳能供暖是实现节能减排的重要途径之一。当下农宅使用太阳能主要用作生活热水，极少用于房间供暖。因此，研究如何充分利用北方地区丰富太阳能资源进行室内供暖，最大程度减少煤炭等化石燃料的使用非常有必要。

目前，国内对北方地区太阳能供暖的中国专利CN 207999873U公开的一种适用于北方农村居民的太阳能辅助供暖系统，该系统利用太阳能白天加热室内空气供暖，夜晚利用地板蓄热材料储存太阳能逐渐释放到室内，结构简单，能够减少能耗。但该系统没有考虑到太阳能资源不足的辅助热源问题。中国专利CN 209782789U公开的一种太阳能与燃气集成式供暖供热装置利用太阳能为主要能源，燃气供暖热水炉为辅助的供暖、供生活热水系统。但燃气属于商品能源，也是化石能源。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明提供一种生物质燃料锅炉辅助的太阳能热水供热系统及调控方法，以解决当下北方地区农宅冬季供暖煤炭消耗量大、现有太阳能热水器只用于生活热水，现有生物燃料火炕使用时燃料更换麻烦，室内空气品质低，煤炭及生物燃料燃烧造成的环境污染等问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种生物质燃料锅炉辅助的太阳能热水供热系统，包括热源、蓄热式节能水炕、循环水路、循环水泵和节能减排烟道墙；所述蓄热式节能水炕包括炕体和设于炕体内的蓄热水箱；所述热源与所述蓄热水箱、循环管路及循环水泵形成热源侧循环水路；所述热源为太阳能热水器和生物质燃料锅炉，在热源供水端和回水端分别设置电磁阀，由温度传感器与控制器控制热源电磁阀启闭，实现热源的切换；并优先由太阳能热水器给蓄热式节能水炕供热水，在太阳能不足时由所述生物质燃料锅炉辅助提供热水；所述生物质燃料锅炉的排烟口与节能减排烟道墙的进烟口贯通连接。

进一步，所述蓄热式节能水炕的蓄热水箱内水平设有相间两块隔板，将所述蓄热水箱分隔成上、中、下三层相互连通的空间，所述隔板上设有均匀分布的通水孔；所述蓄热水箱的上层一侧设有热源进水管与热源的供水端相连；所述蓄热水箱的下层通过热源回水管与所述热源的回水端相连；所述温度传感器设于蓄热水箱的上部。来自热源的热水通过热源进水管进入蓄热水箱的上层，通过蓄热水箱内隔板上的通水孔以此进入分层蓄热水箱的中层和下层，从而自动在分层蓄热水箱内形成稳定的分层。还可配合吊炕结构，避免炕体与地面接触造成热量散失的问题，使分层蓄热水箱上层能够对炕面进行均匀加热，使炕面温度基本稳定，同时水箱蓄热散热还可为该房间供暖，减少了无效热损失，提升了热量的利用效率。

所述蓄热水箱的上层的另一侧还设有供暧热水出水管，通过管路连通其他房间的热水散热器，并通过回水管回到所述蓄热水箱的中部，形成负荷侧循环水路。所述蓄热水箱中层的一侧设有生活热水供水管。所述热源进水管和热源回水管之间还设有旁通管，旁通管的两端分别与热源进水管和热源回水管相连通，旁通管上设有用于控制旁通管开闭的控制阀；在旁通管上还设有用于生活用水的取水管，以及控制取水管开闭的取水控制阀。蓄热水箱上部的热水通过热水管进入其他房间内的房间散热器，对其他房间进行供暖后，再通过供暖回水管回流至分层蓄热水箱中部，从而使负荷侧循环水路中的水在为其他房间供暖后回到热源侧循环水路中，以达到同时为多个房间持续供暖的目的。

在非供暖季节，关闭分层蓄热水箱的热源进水管上的进水阀和热源回水管上的回水阀，打开旁通管上的控制阀，通过取水管取用生活用水，实现非供暖季节热水供应的切换。

另外，蓄热水箱的中层也可设有用于生活用水取用的供水管，在供暖季节提供生活热水。

所述蓄热水箱底部还设有定压补水装置；定压补水装置包括膨胀水箱、补水泵、浮球阀水位传感器，浮球阀式水位传感器与水位控制器电路相连，水位控制器与补水泵电路相连，补水泵的进水端与外部水源相连给系统补水与定压。

所述节能减排烟道墙的墙体为中空结构；其横向交错设置烟气导流板和吸附物，使得烟气在墙内停留时间加长，提高烟气污染物吸附效果也便于烟气余热供暖。所述吸附物为生物碳或秸秆等材料。

本发明还提供一种生物质燃料锅炉辅助的太阳能热水供热系统的调控方法，采用上述热水供热系统，包括如下内容：通过温度传感器和控制电磁阀的开闭实现太阳能热水器与生物质燃料锅炉供暖的切换；通过膨胀水箱水位由浮球阀控制补水泵启动对蓄热水箱补水；通过蓄热水箱旁通管开关实现非供暖季节热水供应切换，通过蓄热水箱上层热水量实现房间夜间的持续供暖。

进一步，具体步骤包括：

(1)优先启动太阳能热水器的供水和回水电磁阀对蓄热式节能水炕的蓄热水箱提供热水，同时控制器关闭生物质燃料锅炉的供水和回水电磁阀；

(2)设定太阳能热水器的出水温度值，温度传感器对蓄热水箱上层水温进行监测；

(3)当水箱上层水温低于进水控制器设定值时，控制器关闭太阳能热水器上的供水和回水电磁阀，停止使用太阳能热水器；同时，打开生物质燃料锅炉进出水管上的电磁阀，开启生物质燃料锅炉；

(4)由膨胀水箱水位由浮球阀控制补水泵启动，维持蓄热水箱的水位；布置在水箱下层的热源回水管，通过循环水泵抽取水箱温度最低的循环水回到热源被加热，热源出口的温度较高的热水送至蓄热水箱的上层，供蓄热式节能水炕放热后的热水经过隔板间隙和通水孔下沉到水箱中层和下层，从而自动实现蓄热水箱热水的稳定分层，维持水箱顶部炕面温度基本稳定，水炕表面达到适宜温度；

(5)非供暖季节，关闭蓄热水箱进出管阀门，打开蓄热水箱旁通管阀门，旁通管上设有生活热水供水阀，实现非供暖季节热水供应切换；

(6)循环水泵为变频控制，以适应热源切换与季节切换热水系统的阻力变化；

(7)通过调节蓄热水箱上层热水量实现夜间的持续供暖。

本发明通过监测水箱上层水温，来判断该时段内太阳能是否充足。优先使用太阳能热水器供暖，在当水箱上层水温低于设定值时，表明太阳能热水器无法将水加热到设定温度，因此需要切换热源供暖。因此，控制器接受温度传感器的信号后，关闭太阳能热水器上的供水和回水电磁阀，停止使用太阳能热水器；同时，打开生物质燃料锅炉上的供水和回水电磁阀，开启生物质燃料锅炉，实现从太阳能热水器到生物质燃料锅炉供暖的热源切换。通过膨胀水箱水位由浮球阀水位感应器和控制器联动控制补水泵启动对系统补水，维持蓄热水箱内水位稳定与系统压力；在非供暖季节，关闭水箱热源侧热水供水和回水侧阀门，打开水箱旁通管阀门，以实现非供暖季节热水供应切换。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明生物质燃料锅炉辅助的太阳能热水供热系统，创造性的设计出蓄热式节能水炕，并将太阳能热水器和生物质燃料锅炉有机的结合，通过温度传感器的检测和控制开关的配合，优先由太阳能热水器给蓄热式节能水炕供热水，在太阳能不足时由所述生物质燃料锅炉辅助提供热水。还巧妙地设计出节能减排烟道墙与生物质燃料锅炉的排烟口贯通连接，同时简便地以低成本方式实现热水系统的持续供热。具有换热效率高，污染物排放低，室内空气品质与供暖质量高等优点，还能使得北方农村地区家用炕面受热均匀并提高房间环境质量，提高居民生活热舒适度。并且，其布置与结构简单，耗费成本低，具有较强的实用性。

2、本发明采用水暖炕替换目前农村地区普遍使用的火炕，在炕内空间放置分层蓄热水箱，蓄热的同时不占用额外空间；炕内的分层蓄热水箱使得炕面温度稳定适宜；炕壁散失热量直接进入室内供暖，提高能源利用效率；同时能够提供生活热水，提高居民生活质量。

3、本发明供热系统可根据季节切换水环路，实现全年热水供应；所述供热系统可在北方农村既有的供暖设备基础上改造，投资低，运行费用极少；系统调控简单，布置容易，符合农户使用习惯，实用性强，非常适合推广。

4、本发明采用太阳能热水器与生物质燃料锅炉切换使用，可以有效利用北方地区充足的太阳能资源供暖，同时兼顾太阳能资源不充足时段的供暖需求；同时，热源切换至生物质燃料锅炉时，在设计合理的情况下可实现生物质燃料取代煤炭的使用。以甘肃省某农户为例，该农户供暖季节热负荷与生活热水负荷为Q＝5.5259×10⁷kJ，系统设计合理的情况下每户能够节省煤炭约1887kgce，根据全国统计局数据，甘肃省农户数量约880250户，每年可节省煤炭为1.66×10⁶tce。

5、本发明采用分层蓄热水箱炕简便地以低成本方式解决了热水系统的持续供热，实现房间夜间持续供暖与全年的生活热水供应。

6、本发明采用与生物质燃料锅炉排烟口贯通连接节能减排烟道墙；通过设置烟气导流板和吸附物，延长烟气流动时间，提高烟气污染物吸附与烟气余热供暖效果，减少烟气的排热损失与污染物排放，既节能又环保，秸秆等吸附物还可回收还田。

附图说明

图1为发明系统原理结构示意图；

图2为发明应用示意图；

图3为节能减排烟道墙结构示意图；

图4为节能减排烟道墙的内部结构示意图。

图中：1--太阳能热水器，2、3、4、6、9--电磁阀，7、8、10-20--阀门，5-生物质燃料锅炉，21--循环水泵，22--补水泵，23--膨胀水箱，24、25、26--蓄热式节能水炕之蓄热水箱上、中、下层，27--温度传感器，28--供水干管，29--回水干管，30、31--房间散热器，32、33--水龙头，34--节能减排烟道墙的墙体，35--吸附物(秸秆或生物碳等材料)支撑板，36--秸秆吸附物收集槽，37-蓄热水箱，38--收集槽出口，39--秸秆吸附物替换口，40--进烟口，41--烟囱、42--雨水收集槽。

具体实施方式

下面将结合具体实施例和附图对本发明作进一步详细说明。

一、一种生物质燃料锅炉辅助的太阳能热水供热系统

参见图1至图2，一种生物质燃料锅炉辅助的太阳能热水供热系统，包括热源、蓄热式节能水炕、循环水路、房间供暖及生活热水设备、循环水泵21和节能减排烟道墙34；所述蓄热式节能水炕包括炕体和设于炕体底部的蓄热水箱37。所述热源与所述蓄热水箱37、循环管路及循环水泵21形成热源侧循环水路，循环水路上设有阀门7、8、10、13；所述热源为太阳能热水器1和生物质燃料锅炉5，在热源供水端和回水端分别设置电磁阀2、3、4、6，由温度传感器27与控制器控制热源电磁阀的启闭，实现热源的切换；并优先由太阳能热水器给蓄热式节能水炕供热水。在太阳能不足时，由所述生物质燃料锅炉5辅助提供热水。

具体应用时，优先使用太阳能热水器1，生物质燃料锅炉5供水和回水电磁阀4、6关闭。设置温度传感器27设定值，当温度传感器27监测到水箱上层水温低于设定值时，温度传感器27将监测到的温度转换成电信号并发送给控制器，控制器接受信号后，向太阳能热水器1的供水与回水电磁阀2、3发出关闭信号，停止使用太阳能热水器；同时向生物质燃料锅炉5的供水与回水电磁阀4、6发出打开信号，开启生物质燃料锅炉。

其中，所述蓄热式节能水炕的蓄热水箱37内水平设有2块(或多块)隔板，将所述蓄热水箱37分隔成上、中、下三层(或多层)相互连通的空间，所述隔板上设有均匀分布的通水孔；所述蓄热水箱37的上层一侧设有热源进水管与热源的供水端相连；所述蓄热水箱37的下层通过热源回水管与所述热源的回水端相连；所述温度传感器27设于蓄热水箱的上部。

其中，所述太阳能热水器1上设置的光伏组件与蓄电池相连接，蓄电池与所述的电磁阀2、3，循环水泵21、补水泵22、温度传感器27、水位感测器(图中省略)相连接。

在具体实施时，所述蓄热水箱内水平间隔设有两块隔板，并将水箱内部分隔成上层24、中层25和下层26，所述隔板上设有均匀分布的通水孔(其孔径大小和密度根据具体情况可调，例如孔径在0.1-1cm范围优选，密度在30-90％优选)。热水通过蓄热水箱上层24一侧的热水供水管进入水箱内部，通过水箱内隔板上的通孔充满整个水箱，蓄热水箱下层26的水经回水管由循环水泵21送回热源重新加热，再次进入热源侧循环水路循环。蓄热水箱上层24的水温度最高，主要用于维持炕面适宜温度和其他房间供暖，蓄热水箱中层25的水温度略低于上层24，蓄热水箱下层26的水温最低。配合分层蓄热水箱炕的吊炕结构，蓄热水箱散热也可通过炕体散热对房间进行供暖。

在具体实施时，还包括膨胀水箱23、补水泵22，所述膨胀水箱23通过管道与热源回水管相连，所述膨胀水箱23内设有浮球阀水位传感器，浮球阀水位传感器与控制器相连，控制器与补水泵22相连。当水位低于设定值，浮球阀水位传感器将监测的水位信号转换为相应电信号后发送给控制器，控制器向补水泵22发送信号，补水泵22开启补水，当水位达到设定值以后，控制器向补水泵22发送信号，补水泵关闭，从而维持水箱水位并稳定系统压力。

在具体实施时，还包括在所述蓄热水箱37上层设置的供暖热水出水管和在所述蓄热水箱中层设置的供暖回水管，蓄热水箱上层的热水通过供暖热水出水管进入其他房间里的散热器30、31进行循环供暖后，通过供暖回水管返回进入蓄热水箱37中层，所述蓄热水箱通过供暖热水出水管和供暖回水管与其他房间散热器形成负荷侧循环水路。实际使用中，在所述蓄热水箱中层25上还设有用于生活用水取用的分支水管13及龙头33，以提供日常生活所需用的热水。其中，所述蓄热水箱37、供暖热水出水管、供暖回水管与炕体的内侧壁之间形成有空隙，可就地选用鹅卵石等作为空隙填充材料。

本发明的工作原理：1、热源切换功能：优先使用太阳能热水器进行供暖，控制器关闭生物质燃料锅炉供水和回水电磁阀；设置温度传感器设定值，温度传感器对蓄热水箱上层水温进行监测；当水箱上层水温低于检测值时(通常为阴雨天或晚上)，进水控制器关闭太阳能热水器上的供水和回水电磁阀，停止使用太阳能热水器；同时，打开生物质燃料锅炉上的供水和回水电磁阀，开启生物质燃料锅炉。

2、供暖功能：(1)水炕供暖：太阳能热水器接收太阳能加热管网中的水，水在重力的作用下经由太阳能热水器供水管流入蓄热水箱蓄存起来并为炕面供热；其中，蓄热水箱的上层热水为蓄热式节能炕提供热量，蓄水箱内的热水热量损失以后在由于温差产生的密度差的作用下自动下沉到蓄水箱下层并由回水管回水再由太阳能热水器加热；同时炕壁损失的热量也能够为房间供暖。(2)房间散热器供暖：蓄热水箱上层的热水通过供暖热水出水管进入其他房间里的散热器30、31进行循环供暖后，通过供暖回水管返回进入蓄热水箱37中层，所述蓄热水箱通过供暖热水出水管、供暖回水管与其他房间内的散热器形成负荷侧循环水路。

3、生活热水功能：实际使用中，在所述蓄热水箱中层25上还设有用于生活用水取用的分支水管13及龙头33，以提供日常生活所需用的热水。

4、季节切换功能：非供暖季节，关闭蓄热水箱37的进出管阀门，打开水箱旁通管阀门11、12和水龙头32，用于非供暖季生活热水的取用。

5、持续供热功能：分层蓄热水箱炕简便地以低成本方式解决了热水系统的持续供热，实现房间夜间持续供暖与全年的生活热水供应。

6、生物质燃料锅炉烟气减排功能：锅炉排烟口贯通连接节能减排烟道墙；通过设置烟气导流板和吸附物，延长烟气流动时间，提高烟气污染物吸附与烟气余热供暖效果，减少烟气的排热损失与污染物排放，既节能又环保，秸秆等吸附物还可回收还田。

参见图3-图4，本发明中所述节能减排烟道墙为中空结构，包括：吸附物(秸秆或生物碳)支撑板35、吸附物收集槽36、收集槽出口38、吸附物替换口39、进烟口40、烟囱41、雨水收集槽42。生物质燃料锅炉5排烟口与节能减排烟道墙进烟口40贯通连接，墙内横向交错布置的不等距秸秆支撑板35，使得烟气在墙内停留时间加长，提高烟气污染物吸附与余热利用效率果；支撑板上放置吸附烟气的生物植材料如秸秆、生物碳等，支撑板35上的秸秆可用直径为3-4cm的直树枝制作的，一端绑有高粱穗制刷头的细长杆扫入墙内底部秸秆收集槽36，所述收集槽36可从墙端面的收集槽出口38拉出将秸秆取出；秸秆可由秸秆替换口39放入；被处理后的烟气从烟道墙顶部烟囱41排出；所述烟道墙顶部装置有带孔雨水收集槽42，通过雨水收集槽42底板的小孔滴入墙内浸润秸秆，增强秸秆等吸附物对烟气中颗粒物的吸附作用，同时也防止吸附物的着火。

节能减排烟道墙内部设交错的横向不等距承载板形成，板上置有吸附烟气的秸秆材料，经过一定使用周期后，所述承载板上的秸秆能够通过可用直径为3-4cm的直树枝制作带高粱穗制做，使秸秆掉入墙内底部收集槽，由烟道墙端面槽口取出；墙顶部有带有小孔的雨水收集器以及烟气排出口；所述烟气排出口上置有小型引风机以及烟囱帽；墙侧在各承载板处置有开槽，用以秸秆等吸附材料的更替。

二、利用上述生物质燃料锅炉辅助的太阳能热水供热系统的调控方法

通过温度传感器和控制电磁阀的开闭实现太阳能热水器与生物质燃料锅炉供暖的切换；

通过膨胀水箱水位由浮球阀控制补水泵启动对蓄热水箱补水，维持系统运行压力；

通过蓄热水箱旁通管开关实现非供暖季节热水供应切换；

通过改变水箱中层供暖回水管位置，调节水箱上层蓄存的热水量实现夜间的持续供暖。

具体方法为：

(1)优先使用太阳能热水器进行供暖，控制器关闭生物质燃料锅炉供水和回水电磁阀；

(2)设置进水控制器温度值，温度传感器对蓄热水箱上层水温进行监测，蓄热水箱上层水温低于设定值时，进水控制器关闭太阳能热水器上的供水和回水电磁阀，停止使用太阳能热水器；同时，打开生物质燃料锅炉上的供水和回水电磁阀，开启生物质燃料锅炉；

(3)通过改变水箱中层供暖回水管位置，调节水箱上层蓄存的热水量实现夜间的持续供暖。

(4)非供暖季节，关闭蓄热水箱进出管阀门，打开水箱旁通管阀门，实现非供暖季节热水供应切换。

(5)热水循环水泵为变频控制，可实现热源切换与季节切换热水系统的阻力变化时供热系统的节能运行。

(6)循环水泵为变频控制，以适应热源切换与季节切换热水系统的阻力变化；

(7)通过调节蓄热水箱上层热水量实现夜间的持续供暖。

在本发明中，供暖热源优先使用太阳能热水器，通过温度传感器监测分层蓄热水箱上部水温，判断是否开启辅助生物燃料锅炉，利用温度控制器来控制太阳能热水器与生物质燃料锅炉的供水与回水电磁阀的启闭。当温度传感器监测到分层蓄热水箱上部的水温低于设定值时，表明此时太阳能供应不足，温度控制器收到来自温度传感器的信号后，将太阳能热水器的供回水电磁阀关闭，打开生物质燃料锅炉的供回水电磁阀，同时开启生物质燃料锅炉为水箱供热水，以保证在太阳能不充足时的稳定供暖。

本发明采用太阳能热水器与生物质燃料锅炉切换使用，既可以有效利用北方地区充足的太阳能资源，又可以在太阳能资源不太充足的时段为室内供暖，还采用水暖炕对室内进行供暖，使炕面受热均匀并提高了房间供暖质量，还有效避免火炕利用烟气取暖对室内空气与环境造成的污染，更加安全环保。

三、对实施例进行验证

以甘肃省某户典型农宅作例，该地区冬季供热工况下室内设计温度为18℃，室外空气计算温度为-10.7℃，室外平均风速0.7m/s。主要居住房间：主卧面积29.25m²，侧卧面积18.19m²。其中侧卧只有一个月时间需要供暖。

(1)室内供暖热负荷计算

基本耗热量：Q＝∑αFK(t_n-t_w)

冷风渗透耗热量：Q＝0.28C_pρ_wnL(t_n-t_w)

该地区典型冬季供暖月为11月至次年2月共120天，每天上午7：00点至下午22：00共15个小时需要供暖，每年冬季供暖时间为1800小时，按设计日计算得室内供暖热负荷为：

Q₁＝(2.587+19.319)×10⁶＝21.906×10⁶KJ

(2)生活热水热负荷计算

第六次人口普查数据及第三次农业普查全国和省级主要指标汇总数据，甘肃农业户口总人数16384078人，普通农户4665660户，平均每户人家3.5口人，以4口人计算，每户人家小时热水负荷为：

K_h—小时变化系数；m—用水计算单位数；q_r—热水用水定额，L/人·d

C—水的比热，J/kg·℃；t_r/t_l—热/冷水温度，℃；ρ_r—热水密度，kg/L。

新型清洁供热系统供暖方式为散热器供暖，以热水作为热媒，不仅对供暖质量有明显提高，而且便于调节。根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50736-2012综合考虑供暖系统的初投资和年运行费用，热媒参数选用60℃/40℃。

一户4口的农户供暖季(120天)生活热水总热负荷为：

Q₂＝Q_h×24×120＝5.6×10⁵KJ

(3)现有太阳能热水器辐射得热量

表1甘肃某地区采暖月辐射情况

热水器型号为Q-B-J-1-130/2.24/0.05/W/L,集热面积2.24m²，总容水量174L，可用水量130L，能效等级1级，日平均辐射得热：

Q_s＝J_Tη_cd(1-η_L)A_c/f

A_c——太阳能热水器的集热面积，(m²)；

J_T——当地集热器采光面上的平均日太阳辐照量，(MJ/m²)；

f——太阳能保证率，％，按照GB50495-2009太阳能供热采暖技术规范选取；

η_cd——基于总面积的集热器平均集热效率，％；

η_L——管路及贮热装置热损失率，％；

该户人家供暖季(11、12、1、2月)太阳能集热板辐射得热量为：

Q₃＝993.3×0.4×(1-0.25)×2.24÷0.3＝2.225×10⁶KJ

北方地区太阳能资源丰富，农村住宅多为单层建筑，有足够面积放置更多的太阳能热水器。若采用增加太阳能热水器的数量，就可利用更多的辐射得热量。

(4)生物质资源量计算

甘肃各地粮食、油料、棉花等作物的年产量按照甘肃省2017统计年鉴给出，秸秆资源量可根据作物产量、谷草比及可利用系数之间的转换关系得到，生物质可利用量理论计算公式为：

CR——可利用生物质总量，万t；Q_ci——第i类农产品产量，万t；

r_i——第i类农作物的谷草比；l——秸秆利用系数。

表2甘肃省2017年生物质可利用量

根据折煤系数及发热效率，生物质固化燃料总发热量计算公式：

Q₅——年发热量，KJ；q_r——标准煤的发热量，7000kacl/kg

ε——发热效率；CR_i——第i种生物质总量，kg；η——燃烧效率，0.3。

故甘肃省2017年普通农户生物质固化燃料总发热量为：

Q₄＝3.318×10¹³KJ

(5)分层蓄热水箱体积计算

水箱体积的计算应保证夜间用户睡眠时间段不需要进行补燃。设供回水温度为60℃/40℃。

每日晚上10：00至次日早上7：00的总热负荷：Q＝2.29×10⁵KJ

节能炕内水箱体积：

推荐水箱尺寸大小为4.2m×2.1m×0.3m；整个炕的尺寸为4.5m×2.4m×0.67m；

(6)节能减排效益

该典型农宅使用传统煤炭采暖方式，采用该系统每年能够节省煤炭用量约为1887kg，节省煤炭消费约4185元，减少排放CO25151.5m3。若用户增加太阳能热水器数量，利用更多的太阳能辐射得热量，节能减排及经济效益会更明显。

本发明所述供热系统可在北方农村既有的供暖设备基础上改造，投资低，运行费用极少；系统调控简单，布置容易，符合农户使用习惯，实用性强，非常适合推广。可有效解决北方地区农宅冬季采暖煤炭消耗量大、未处理烟气排放量大、太阳能资源利用率低、采暖炕炕面受热不均匀、采暖房间供暖质量差、室内空气采暖质量低、所用燃料污染室内环境等问题；利用太阳能作为采暖热水热量主要来源，生物质能燃烧的锅炉加热采暖热水并流向每个房间的散热器以供给热量。将当下农宅普遍使用的火炕改造为热水循环系统的蓄水箱，箱内设置温度传感器以控制热源的开闭。蓄热的同时不占用额外空间；炕内的分层蓄热水箱使得炕面温度稳定适宜；炕壁散失热量直接进入室内供暖，提高能源利用效率；同时能够提供生活热水，提高居民生活质量。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种生物质燃料锅炉辅助的太阳能热水供热系统，其特征在于，包括热源、蓄热式节能水炕、循环水路、循环水泵和节能减排烟道墙；所述蓄热式节能水炕包括炕体和设于炕体内的蓄热水箱；所述热源与所述蓄热水箱、循环管路及循环水泵形成热源侧循环水路；所述热源为太阳能热水器和生物质燃料锅炉，在热源供水端和回水端分别设置电磁阀，由温度传感器与控制器控制热源电磁阀启闭，实现热源的切换；并优先由太阳能热水器给蓄热式节能水炕供热水，在太阳能不足时由所述生物质燃料锅炉辅助提供热水；所述生物质燃料锅炉的排烟口与节能减排烟道墙的进烟口贯通连接。

2.根据权利要求1所述生物质燃料锅炉辅助的太阳能热水供热系统，其特征在于，所述蓄热式节能水炕的蓄热水箱内水平相间设有两块隔板，将所述蓄热水箱分隔成上、中、下三层相互连通的空间，所述隔板上设有均匀分布的通水孔；所述蓄热水箱的上层一侧设有热源进水管与热源的供水端相连；所述蓄热水箱的下层通过热源回水管与所述热源的回水端相连。

3.根据权利要求2所述生物质燃料锅炉辅助的太阳能热水供热系统，其特征在于，所述蓄热水箱的上层的另一侧还设有供暖热水出水管，通过管路连通其他房间的热水散热器，并通过回水管回到所述蓄热水箱的中层，形成负荷侧循环水路。

4.根据权利要求2所述生物质燃料锅炉辅助的太阳能热水供热系统，其特征在于，所述蓄热水箱中层的一侧设有生活热水供水管。

5.根据权利要求2所述生物质燃料锅炉辅助的太阳能热水供热系统，其特征在于，所述热源进水管和热源回水管之间还设有旁通管，旁通管的两端分别与热源进水管和热源回水管相连通，旁通管上设有用于控制旁通管开闭的控制阀；在旁通管上还设有用于生活用水的取水管，以及控制取水管开闭的取水控制阀。

6.根据权利要求2所述生物质燃料锅炉辅助的太阳能热水供热系统，其特征在于，所述供热系统还设有定压补水装置；定压补水装置包括膨胀水箱、补水泵、浮球阀水位传感器，浮球阀式水位传感器与水位控制器电路相连，水位控制器与补水泵电路相连，补水泵的进水端与外部水源相连给膨胀水箱补水。

7.根据权利要求1所述生物质燃料锅炉辅助的太阳能热水供热系统，其特征在于，所述所述生物质燃料锅炉的排烟口与节能减排烟道墙的进烟口贯通连接，烟道墙体为中空结构；其中，横向交错设置烟气导流板和吸附物，使得烟气在墙内停留时间加长，提高烟气污染物的处理率以及便于使烟气中的余热供室内使用。

8.根据权利要求7所述生物质燃料锅炉辅助的太阳能热水供热系统，其特征在于，所述吸附物为秸秆或生物碳材料。

9.一种生物质燃料锅炉辅助的太阳能热水供热系统的调控方法，其特征在于，采用权利要求1~8所述热水供热系统，包括如下内容：

通过温度传感器和控制电磁阀的开闭实现太阳能热水器与生物质燃料锅炉供暖的切换；

通过膨胀水箱水位由浮球阀控制补水泵启动对蓄热水箱补水，维持系统运行压力；

通过蓄热水箱旁通管开关实现非供暖季节热水供应切换；

通过改变水箱中层供暖回水管位置，调节水箱上层蓄存的热水量实现夜间的持续供暖。

10.根据权利要求9所述生物质燃料锅炉辅助的太阳能热水供热系统的调控方法，其特征在于，具体步骤包括：

（1）优先启动太阳能热水器的供水和回水电磁阀对蓄热式节能水炕的蓄热水箱提供热水，同时控制器关闭生物质燃料锅炉的供水和回水电磁阀；

（2）设定进水控制器的温度值，通过温度传感器对蓄热水箱上层水温进行监测；

（3）当水箱上层水温低于控制器设定值时，进水控制器关闭太阳能热水器上的供水和回水电磁阀，停止使用太阳能热水器；同时，打开生物质燃料锅炉进出水管上的电磁阀，开启生物质燃料锅炉；

（4）膨胀水箱水位由浮球阀控制补水泵启动，维持蓄热水箱的水位；布置在水箱下层的热源回水管，通过循环水泵抽取水箱温度最低的循环水回到热源被加热，热源出口的温度较高的热水送至蓄热水箱的上层，供蓄热式节能水炕放热后的热水经过隔板间隙和通水孔下沉到水箱中层和下层，从而自动实现蓄热水箱热水的稳定分层，维持水箱顶部炕面温度基本稳定，水炕表面达到适宜温度；

（5）非供暖季节，关闭蓄热水箱进出管阀门，打开蓄热水箱旁通管阀门，旁通管上设有生活热水供水阀，实现非供暖季节热水供应切换；

（6）热水循环水泵为变频控制，以适应热源切换与季节切换热水系统的阻力变化；

（7）通过调节蓄热水箱上层热水量实现夜间的持续供暖。

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